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仰望星空——哈勃深空場

仰望星空——哈勃深空場

1995年12月18日,這看上去是平凡的一天,一個來自美國的天文研究小組租用了哈勃望遠鏡,他們要選擇一個頗受爭議的天區進行觀測。這是一塊「黑區」,並且還是全天中最黑的「黑區」。這次觀測選擇的是全天中最黑最黑的一個點,大小僅僅只有144弧秒,這相當於你站在100米開外看一個網球的大小,只佔整個天區的2400萬分之一。

在一片質疑聲中,哈勃太空望遠鏡把鏡頭聚焦到了那片位於大熊座的黑區上,從12月18日一直觀測到了12月28日,誰也沒想到,這些光子組成的圖像將讓全世界的天文學家接受到一次革命式的洗禮。

342張圖像最後合成的照片被稱之為「哈勃深空場」,這恐怕是人類天文學史上到目前為止最為重要的一張天文照片,沒有之一。

圖 哈勃深空場

在這張照片中,每一個光點,哪怕是最暗弱的一個光點,都不是一顆星星,而是一個星系,一個像銀河系這樣包含了上千億顆恆星的星系!在這麼一個全天2400萬分之一的區域中,哈勃就拍攝到了超過3000個星系。這真是令人「細思恐極」。

宇宙中星系的分佈密度是均勻的,這早已被證實過了,那麼根據哈勃深空場拍攝到的星係數量就可以推測出,宇宙中可觀測到的星系總數將超過1000億個。如果我們的銀河系在宇宙中是一個中等大小的星系的話,那麼宇宙中平均每個星系就包含了1000億到2000億顆恆星,則宇宙中恆星的總數量相當於地球上所有的沙子的數量,包括所有沙漠和海灘上的沙子。雖然令人難以置信,但這確實是觀測事實。

海量的星系照片讓天文學家對銀河系的演化研究找到了第一手資料。為什麼我會說其他星系的照片是研究銀河系的第一手資料?因為宇宙學原理。我們通過觀察眾多別的星系的不同形態,就能了解自身銀河系的過去與未來。最新的觀測數據表明,我們的銀河系正在與仙女座大星系互相接近,幾十億年以後,會與仙女座大星系「相撞」,那麼相撞之後會發生什麼?除了可以用計算機模擬以外,我們還可以通過研究其他宇宙中星系相撞后的形態,與我們的模擬結果互相驗證,這樣得出的結論是,最終兩個星系會結合成一個棒旋星系。

圖 哈勃拍攝到的一個棒旋星系NGC 1300 圖片來源:NASA官網

人類對宇宙的研究因哈勃太空望遠鏡的上天而提升了一個層次。但是接下去的兩個新發現,給自信滿滿的天文學家們迎頭澆了一大盆涼水,原以為基本上了解了宇宙的人類突然發現,我們對宇宙的了解其實只是宇宙的一小部分,神秘的宇宙只不過是向好奇的人類稍稍敞開了大幕的一小角而已。

暗物質

寫《三體》的劉慈欣寫過一篇科幻短篇小說叫《朝聞道》,在這篇小說中,他寫了一個普通人幾乎很難理解的故事。有一天,外星文明降臨地球,當然,文明程度遠遠勝過人類文明,外星文明給地球人一個機會,每個人都可以去問他們一個科學上的問題,並且保證地球人一定能得到正確的答案,只有一個條件:得到答案以後馬上去死!我說到這裡,估計你馬上就明白了小說標題的含義,子曰:朝聞道,夕死可矣!小說裡面還不是夕死,是立即就死。

我設想,如果劉慈欣小說中的場景真的出現在了地球上,我可以保證會有很大一批天文學家、物理學家會為了一個問題而放棄生命,這個問題就是:暗物質到底是什麼?

暗物質這事還得從1932年開始說起。荷蘭有一位著名的天文學家叫做奧爾特(Oort,1900年 – 1992年),他在極其有限的觀測條件下,隱約發現一個事情不怎麼對頭,就是銀河系的自轉似乎不太符合牛頓力學。奧爾特隱約發現,銀河系外側的恆星運動速度似乎與靠近銀心的恆星運動速度沒有什麼大的差別。這事就很奇怪了,難道對於整個銀河系而言,牛頓的萬有引力不適用了?

又過了一年,1933年,在美國加州理工學院有一位叫做茲威基(Zwicky,1898年 – 1974年)的年輕天文學家,正在著迷地研究后髮座星系團,他居然遇到了與奧爾特幾乎相同的困惑。茲威基試圖測算出這個星系團中星系的平均質量,有兩種方法可以測算,一種稱之為「動力學質量」,還有一種方法稱之為「光度學質量」。按理說,用這兩種方法測算出來的星系平均質量應該是差不多在同一個數量級上,但茲威基計算的結果是「動力學質量」居然比「光度學質量」整整大了160多倍。雖然我們今天知道,茲威基低估了后髮座星系團離我們的距離,從而低估了星系的質量,但是即便是按照今天的數據,兩種質量的比值依然大得離譜。

茲威基看到自己的計算結果后,獃獃地出神,他也冒出了和奧爾特同樣的一個念頭:難道牛頓定理在後發座星系團失效了?但他很快就想到,也許還有一個更合理的解釋:會不會是在後發座星系團中存在著大量不發光的物質呢?這個解釋聽上去合理多了,而且后髮座星系團距離地球足足有3.5億光年之遙,有一些物質不發光,或者發光很微弱,在地球上根本觀測不到,這也是很好理解的。於是,茲威基就在論文中猜測,在后髮座星系團中包含大量暗物質,也就是不發光或者相對很暗的物質,而且這種物質佔到了該星系團中物質總量的99%。這是暗物質這個詞第一次出現在學術論文中。但茲威基並沒有覺得這個猜測有多麼了不起,或者根本就沒有意識到,他無意中觸碰到了一個宇宙的驚世之謎。只過了一年,茲威基的注意力就完全被宇宙中的另外一種迷人天體「超新星」吸引過去了,這個詞supernova也是他和別人一起發明的。暗物質是宇宙中最暗的東西,而超新星則是宇宙中最亮的東西,在直覺上當然是研究亮的比暗的更有趣,於是茲威基就把暗物質丟在了一邊,轉頭去研究最亮的東西去了。這一擱置,就是50多年沒人理會,茲威基也在1974年去世,他沒有等到自己提出的暗物質驚動全世界的那一天。後面又發生了什麼呢?

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